直流海水冷却系统可靠性利用研究

直流海水冷却系统可靠性利用研究

刘以坤

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摘要：随着社会发展水平的不断提高，火力发电厂的建设规模不断扩大，能源损耗也日益增加，火力发电厂冷却系统的用水量不断增加，在这种发展形势下，环保和节能的重要性不断提升，直流海水冷却系统的应用有着较强的可靠性。基于此，本文首先阐释了开式循环冷却系统和直流冷却系统的概念及特点，然后分析了虹吸井虹吸原理的节能效益，胶球清洗系统的可靠性和虹吸利用的技改设想。

关键字：直流海水冷却系统;可靠性；循环冷却；虹吸

火力发电厂在生产过程中需要用大量的水，循环冷却水、除盐水、工业水、给水、凝结水、闭式水等等。其中冷却汽轮机排汽的循环冷却用水，是整个火电厂用水量最大的一个部分，根据电厂建立和布置环境的不同，冷却汽轮机排汽的冷却水系统，通常采用开式水冷却。从循环方式和冷却水源取水途径上可细化分为,开式循环冷却系统和直流冷却系统两种设计方式。

火电厂汽机排汽冷却水系统,开式循环冷却和直流冷却相比，直流冷却更青睐当地得天独厚的自然、地理、水文环境，直流冷却系统用淡水的相对较少，大部分直流冷却系统用的是海水，下文咱们侧重围绕直流海水冷却系统可靠利用来论述一下我的个人观点，首先我要分别简述一下,什么是开式循环冷却系统和直流冷却系统。然后简单分析一下这两种基础冷却方式，从运行成本、维护成本、建设成本、及可靠性利用上，它们各有什么特点。

一、开式循环冷却系统概述及特点

开式循环冷却系统；是现在火力发电厂最普遍采用的冷却系统。在开式循环冷却系统中，由双曲线自然通风冷却塔水池作为储水池，储水池和吸水井相通，吸水井里的循环水，经循环水泵升压后进入循环水出水母管，然后输送至主厂房凝汽器进行冷却换热，再经过回水管道进入双曲线自然通风冷却塔中心竖井，再进入配水槽、滴水管、溅水盘最后喷淋到冷却塔填料上，依靠自然重力下落到冷却塔水池中，自然通风冷却降温，大概这样就完成了一次，开式冷却循环。

机组正常运行中，开式循环系统里的水在双曲线冷却塔的快速冷却蒸发下，冷却塔水池的水位会不断下降，水中的离子浓度会不断增加，会使冷却水中的硬度、碱度升高，水的结垢倾向增大，降低了凝气器的换热效果，这只能通过不断补充工业水的方式来维持冷却塔液位，降低循环水的浓缩倍率，提高凝气器铜管换热效果。有时候为了提高水质还需要加灭藻剂、硫酸等药品。由此可见开式循环冷却方式在机组正常运行中会消耗大量的淡水资源，及一部分化学药品；另外就是建设初期相对复杂成本较高，需要建高达八九十上百米的双曲线自然冷却通风塔。上面两点所述可能就是开式循环系统不完美的地方吧。不足之处有优点开式循环冷却水系统在连续可靠性利用方面，它不受外来环境的制约，不受潮汐干旱季影响，循环水质稳定不会出现外来杂物污染现象、水质水位都是在人可控的范围内。进入冷却系统以及凝气器里面的水，是往复不断内循环的，几乎不会影响机组安全运行。

二、直流冷却系统概述及特点

直流冷却系统；是指冷却水直接从江河湖海水源取得。其中用海水的较多。一般在靠近沿海的火电厂采用的比较多，大部分沿海电厂直流冷却系统采用的是内海水。利用沿海地区内海的水，经过取水渠、取水前池、旋转滤网、冷却水泵（通常也叫循环水泵）、出口液控阀等，升压后用管道输送到主厂房流进凝气器水侧钛管中，用于冷却汽轮机排汽散发的热量，从而持续维持凝气器汽侧建立真空，冷却水在凝汽器钛管中冷却换热后水温升高再经虹吸井、排水渠、直接排入到海里去，大概这样就完成了一次，直流冷却循环。

海水直流冷却系统也是所有直流冷却系统里面建设维护成本比较高的一种系统，整个直流海水冷却系统，其中包括冷却水提升泵、旋转滤网、冲洗水泵、阀门、管道、法兰、附属构件、凝气器水室、以及需要用海水冷却的换热器等设备，在设计使用金属材质上都要考虑耐腐蚀性，普通碳钢管道内部需做衬胶，外部需做防腐处理，有的地方还要用双相不锈钢，直流系统设备外部需定期刷耐腐蚀抗风化油漆,维护成本相对高一点。还有就是内海取水渠里面难免会有贝类、软体生物、水草、树枝树叶等杂物，在遇到暴雨天气海岸边的生活垃圾也会冲进海里，顺着水流漂进取水渠，若取水前池旋转滤网设计不规范，网孔过大、旋转滤网底部两侧有缝隙等，难免水中杂物会进入到直流系统里面，最后汇集在凝气器二次滤网中，二次滤网如果工作不正常排污不畅，就会造成冷却水流堵塞受阻，直接影响到机组安全可持续运行,另外电解海水制氯系统也要可靠连续运行,冲击加药和连续加药，在保证系统不生长海贝类生物的前提下控制余氯在合格范围内，以免造成对系统钛管的腐蚀和对排水渠海边生态环境的影响，假如次氯酸钠系统运行不正常，系统内生长了海贝类生物，对系统可谓是灭顶之灾，加强电解海水制氯系统运行维护，对直流冷却系统稳定运行，也是很重要的一个工作；直流海水取水渠一般都是在内海，潮汐变化，取水渠液位也会跟着潮汐变化，也会影响着冷却水泵的出力变化，直接影响机组安全运行。

综上所述，两种基础开式冷却方式，大家不难发现,它们各有其特点,从不同的角度综合思考,各有利弊,如果单从机组冷却水安全可持续性利用上，开式循环冷却要比直流冷却更稳定可靠一些。它受外扰因素影响较小,不用设置旋转滤网、二次滤网，清污机等，开式循环冷却维护相对简单、可靠。那么对于直流冷却系统，有时候也可以借鉴开式循环水系统优点的地方在可靠利用方面加以提升改造。

下面就结合咱们明古鲁发电公司直流海水冷却系统实际情况，在直流水系统安全可靠性、经济效益最大化方面如何做点优化提升改进呢？我认为大致可以从如下几个方面做工作。

三、虹吸井虹吸原理的节能效益探索利用。

虹吸井是直流冷却系统的独家特色。在直流供水系统中有非常重要的作用:设置虹吸井后,可利用虹吸作用使凝汽器水室处于负压状态仍然流动，这样相当于降低了几何供水高程,从而使循环水泵扬程降低,节约电耗。保持凝汽器循环水的虹吸作用，特别是当系统水力产生过渡时,虹吸井中水位和水量的提供,可以使凝汽器排水管产生倒流虹吸作用，这样可以减缓凝汽器出口处压力的下降程度,防止由于水锤作用产生较大的负压,从而避免水柱分离现象发生。

在虹吸井的设计中必须考虑以下几个方面的因素：满足虹吸原理,最大限度降低水泵的工作水头;工程投资节省,施工方便;充分考虑虹吸井溢流堰堰后的流态的稳定;设计布局合理，根据场地布置更加合理，可以采用斜交堰或正交堰。虹吸井利用高度应根据当地最低气压、凝热器换热后最高水温和凝热器出口至虹吸井溢流堰之间的水流阻力,通过计算确定。但凝汽器出口最高点的出口压力不宜低于20kPa,一般可采用20-30kPa。保持虹吸井其他尺寸基本不变，若将虹吸井的虹吸利用高度由7.0m降为6.0m,为保证过流量,水泵扬程势必需要增加 lm。若机组的年利用小时数按5000小时计算,厂用电价按0.4元/千瓦时计算,则两台机组水泵的运行费用的增量=水泵的轴功率增加数*年利用小时数*电价=(KYQH/102/  η )*5000*0.4=1.05*100O*((17.04*7+12.26*5)/12)*2*1*5000*0.4/(102*0.85)=72.90(万元)

由上得出,利用高度减少lm,则两台机组水泵的年运行费用会增加约72.90万元。因此保持一个较高的虹吸利用高度可以创造较高的经济效益,但虹吸利用高度也不能过高,虽然理论上一个大气压可以支持10m左右水柱(具体还要考虑水温和流动阻力影响),那么当凝汽器水室顶部和排水口落差超过10米循环水水流就会被拉断,造成循环水断流,后果严重。根据工程经验,一般采用7m。泵的扬程,节约了电耗,使循环水系统上下游流态保持稳定,是循环水系统中不可缺少的重要构筑物。

发电厂虹吸井的设计是个复杂的过程,首先由外委单位在实验室进行模型模拟,从泄流能力和水流条件确定堰型,再进行虹吸井尺寸计算,在设计过程中综合考虑了其占地大小,布置的合理性,虹吸的有效利用高度,泄流能力,水流条件,建设投资费用,施工的便利性等等,对各设计参数进行优化。在施工过程中,应结合工程实际综合考虑。

虹吸井设计的初衷是，利用水的自然落差，水的自重力，利用凝气器回水管道高度差水锤快速下落在凝气器水室“驼峰处”形成虹吸负压的最高点，以致整个凝气器上水室都是负压真空状态，海水冷却水泵用极低的压头就能够连续不断的给凝汽器供直流冷却水；权威设计是为了节省厂用电，但是在直流冷却供水机组实践运行中，往往会因虹吸井虹吸力量过大出现凝气器系统上半部不能全部充满水的现象，上部钛管进水量少机组真空可能不受影响，因为排汽饱和温度对应的饱和压力是对应的，但特殊情况下如果内海取水渠潮位过低，大气压恒定那么凝气器落差是不是变大了。相应的虹吸力量也会跟着变大，这时候凝气器上部水室充水量就会减少，钛管换热面积就会减少，真空就会受影响，这时候的处理没有好办法，只能通过节流凝气器循环水回水门的方式，人为降低虹吸影响，也可以说这是破坏了虹吸出力，实践证明关小了回水门，破坏了虹吸，提升了海水冷却水泵压头，冷却水泵电流却不会长，因为虽说破坏了虹吸，但是关小凝汽器回水门反而降低了直流水流量，流量小电流小。节流降低了直流海水流速，上部水室充满水，反而加大了凝气器换热面积，凝气器真空也不会降低。话又说回来节流毕竟不是常规操作，这只是减轻或破坏虹吸的人为干涉手段。再说回水蝶阀经常开关开关也有可能出问题，曾经有个电厂因为过度节流造成蝶阀挡板面长期受水流冲刷应力疲劳损坏，引发了凝气器回水蝶阀主轴断裂事故，凝气器蝶阀突然关闭，机组真空突降ETS保护动作，直接跳机。

直流系统虹吸井从设计的角度是为了节能降耗，但是实际运行用起来，却不那么完美。开式循环水，回水直接上塔，正压头高达十几米，也没见得浪费多少厂用电，但在实际运行中却是那么得心应手。直流冷却系统能否借鉴参考一下开式冷却水系统上塔的设计呢? 在保留虹吸最大有效利用的前提下，直流系统再增加一个高位虹吸井，分上下两个虹吸井，上下布置。潮位低时用高位虹吸井，潮位高时用低位虹吸井，中间用一个大旁路连接，主路母管低位虹吸增加一个挡板门切换，旁路变径改在主路蝶阀前面，直接上高位虹吸井。旁路一定要计算变径，在满足机组最大直流水用量的情况下，把旁路设计的直径小一点，大致按回水门节流50%的流量设计就可以，以便抵消一部分因增加压头而增加的电流，用变径降流量，降电流。弊端是这种设计思路影响厂区美观，还有就是土建成本加大，噪音污染加大，不过可以做隔音罩避免，排水涵箱厂区设明渠，不设地下涵道，有利于降低排水泡沫，这种想法针对潮汐变化大，取水渠水位偏低的情况，在建设之初可以考虑。还有一个办法就是设计之初，凝气器回水管道直接变径，比进水小一半，回水用细管道小直径蝶阀电动门，这也是一种节能降耗的方法。还可以实现保留虹吸，运行操作回水蝶阀不节流稳定运行的效果,避免蝶阀频繁开关节流损坏密封圈,影响蝶阀主轴强度。

四、胶球清洗系统在直流冷却系统的可靠应用研究。

胶球清洗系统，在开式循环冷却系统里面，应用很普遍，投运停止甚至投自动，操作灵活自如。为什么同样的清洗装置，放在直流系统里面就不行了呢？好多直流海水电厂，胶球清洗系统成了摆设。长久放置经常不用最后直接就去掉了。若想要在直流冷却系统里面流畅的投用胶球系统,那么就要从开式循环系统里参照找答案,胶球清洗,必须要有清洗的水流条件,水质良好无杂质、进水管道水压稳定,水流稳定前后水室没有涡旋,回水管道水流匀速正压,收球网严密不漏球,只有具备这些基本条件，才能保证胶球在系统钛管里清洗畅通无阻,投收球灵活自如。但是在直流系统里面胶球清洗就不那么完美，因为虹吸的存在破坏了胶球泵入口的必须汽蚀余量满足的基本条件，也就是说胶球泵入口是负压区,形成不了闭式循环水环，胶球泵打闷泵,怎么办才能正常投用胶球清洗系统呢？一句话还是要节流，把回水门直接关到15%，这样胶球清洗系统就可以正常工作。这种操作方法勉强可行，况且在直流系统也只有这样一个办法，别无他法。节流把握尺度，节流过多真空可能就会下降，或者还有一种可能就是真空能保住但是换热效率下降了,只有不断摸索尝试找到一个最佳位置才行，看胶球泵入口压力达到，0.1Mpa以上才能放球。否则一球不回。加进去就吸附在收球网上；还有就是当直流水中杂物多，二次滤网隔离垃圾效果不好，不建议投球，垃圾胶球伴行进入钛管，有堵管的可能，弊大于利，在直流系统垃圾多的情况下，投球非但起不了清洗的效果，反而会有胶球投的越多，钛管换热效率越低的可能。水质不好坚决不允许胶球系统投用。

五、虹吸利用的技改设想

凝气器水室最高处、及凝气器回水管道、虹吸井三者高度差形成巨大虹吸效应，就像家里鱼缸放水的胶皮管，用嘴吸一下就可以实现虹吸落差自动排掉鱼缸里面的水，直流系统在凝气器回水门全开的情况下，凝气器上水室虹吸力量最大,这时如果稍打开上水室放气阀,实践运行中发现海水冷却水泵电流会下降,机组真空会稍微降低,这种运行工况是破坏了一部分虹吸降低了凝气器直流水的流速,从而降低直流水流量,降低了电流,若能维持机组在最佳设计真空92Kpa左右,计算汽机热耗不增加，人为控制放气阀维持一定开度，这样也会在一定程度上起到节能降耗的作用。节能效益有了噪音污染反而加大了，水室放气阀打开呼呼响会增加机房噪音音贝，如果把水水换热器放气阀和凝气器水室放气阀用管道连接，这样就会消除噪音污染，凝气器虹吸力量大于水水换热器的虹吸力量，空气会从水水换热器倒吸至凝气器水室，这样水水换热器水室顶部，就会被凝气器虹吸抽成大于水水换热器本身所形成的虹吸负压区。水水换热器顶部就会充满水，会增加水水换热器的冷却换热面积，提高换热效率。这种设计方案我认为既解决了破坏凝气器虹吸时的放气阀噪音污染，实现降厂用电，又增加了水水换热器冷却水换热面积。一举两得。

以上几点，是我在日常工作中总结的对直流海水冷却系统可靠利用的技改研究。希望大家给与参考意见。

参考文献：

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